Gli acceleratori di particelle convenzionali possono variare da dispositivi delle dimensioni di una stanza di grandi dimensioni a strutture di diversi chilometri di diametro. Uno dei modi in cui gli scienziati hanno cercato di ridurre le dimensioni e le spese dei futuri acceleratori è stato lo sviluppo dell'accelerazione del plasma guidata dal laser. Tali acceleratori, però, stanno crescendo in dimensioni e complessità per mantenere la rilevanza per una delle loro applicazioni:la fisica delle alte energie. Però, ci sono molte applicazioni che possono utilizzare un raggio accelerato a minore energia e maggiore velocità di ripetizione. Per la prima volta, gli scienziati hanno osservato la produzione di elettroni relativistici guidati da bassa energia, impulsi laser ultracorti nel medio infrarosso. Un gruppo di ricerca dell'Università del Maryland, STATI UNITI D'AMERICA, con il sostegno dell'Università tecnica di Vienna, Austria, presenteranno i risultati del loro gruppo a Frontiere in ottica + Scienza laser APS/DLS (FIO + LS), tenutosi dal 17 al 21 settembre 2017 a Washington, DC.
"Stiamo cercando di sviluppare acceleratori laser che siano estremamente compatti e con un alto tasso di ripetizione, " ha detto Howard Milchberg, Membro dell'American Physical Society (APS) e della The Optical Society (OSA), e professore di Fisica e Ingegneria Elettrica presso l'Università del Maryland. "Ciò significa utilizzare l'energia di un impulso laser più bassa possibile per generare elettroni relativistici. Tali fonti potrebbero essere utilizzate nell'imaging a scansione rapida per uso medico, applicazioni scientifiche e di sicurezza".
Recentemente, lo sviluppo di sistemi di amplificazione dell'impulso chirp parametrico ottico (OPCPA) nel medio infrarosso ha consentito l'uso di impulsi a lunghezza d'onda lunga sulla scala dei femtosecondi. Fino a questo sviluppo, impulsi laser a lunga lunghezza d'onda sono stati disponibili principalmente da laser CO2, ma hanno una complessa struttura multi-impulso con durate degli impulsi che si estendono, alle durate più brevi, oltre diversi picosecondi, centinaia di volte più a lungo.
I comuni esperimenti di accelerazione laser dipendono dall'interazione di brevi impulsi laser con un bersaglio di gas. Rispetto agli esperimenti precedenti, la lunga lunghezza d'onda del driver utilizzata in questo progetto ha consentito un facile accesso a quello che viene chiamato il regime di "densità critica". Poiché la densità critica varia inversamente al quadrato della lunghezza d'onda del laser, i bersagli di gas utilizzati per gli impulsi laser a medio infrarosso possono essere fino a 100 volte meno densi di quelli utilizzati nel visibile e nel vicino infrarosso, rendendoli molto meno difficili da progettare.
"Quando un impulso laser a medio infrarosso a femtosecondi di pochi millijoule viene focalizzato da uno specchio curvo in un getto di gas idrogeno - un flusso di idrogeno che fuoriesce da un ugello - un impulso collimato di elettroni relativistici viene emesso dall'altra parte del getto, "Milkberg ha detto, descrivendo l'esperimento. "Però, questo non può accadere a meno che il laser non raggiunga un'intensità estremamente elevata, molto superiore a quella ottenibile mettendo a fuoco con il solo specchio curvo. Lo fa mediante l'autofocus relativistico nel gas idrogeno ionizzato in modo che collassi a una dimensione molto più piccola del suo punto focale".
L'importanza di essere nel regime di densità critica, secondo Milchberg, è che promuove l'autofocus relativistico anche per impulsi laser a bassa energia. Questa interazione potenziata ad alta intensità genera onde di plasma che accelerano alcuni degli elettroni dall'idrogeno ionizzato in un raggio relativistico diretto in avanti.
Il team ha scoperto che i fasci di elettroni erano presenti per potenze tali che la caratteristica lunghezza di autofocalizzazione nel plasma era più corta della, larghezza del getto di gas, mostrando che l'accelerazione degli elettroni non può verificarsi senza l'autofocalizzazione relativistica.
L'autofocalizzazione relativistica è un esempio estremo del noto processo di autofocalizzazione nell'ottica non lineare, ma ora con il bonus delle particelle relativistiche accelerate generate dal mezzo non lineare.
Anche con solo 20 millijoule di energia laser a medio infrarosso, il laser in questi esperimenti può superare significativamente la soglia per l'autofocalizzazione relativistica, dando luogo a multifilamento relativistico. Il team ha osservato più fasci di elettroni relativistici associati a questi filamenti.
Queste innovazioni sono tra i primi passi per lo sviluppo e le applicazioni di acceleratori laser ad alta velocità di ripetizione. "In particolare, "Milkberg ha detto, "I laser a femtosecondi a lunga lunghezza d'onda sono particolarmente promettenti, in quanto possono accedere al regime relativistico non lineare degli elettroni liberi sorprendentemente facilmente."
